便攜式PLC學習實驗箱設計分析
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摘要：基于教學需要，設計了一種便攜式的plc學習實驗裝置。裝置包括箱體，PLC控制器，輸入輸出模塊，步進絲桿滑臺等。設計提供了一種基于以太網通信，工業觸摸屏作為人機界面，以步進電機絲桿滑臺作為被控對象能夠實現運動控制的便攜式PLC實驗裝置。該實驗箱不僅能夠完成PLC教學中的各種經典控制實驗，而且能夠完成運動控制、位置控制等智能控制實驗。該實驗裝置有利于提高學生熟練掌握PLC技術的運用能力和實踐創新能力，符合國家培養創新型卓越工程技術人才的需要。
關鍵詞：便攜式；PLC；學習實驗箱
PLC課程是高職高專院校機電一體化類和自動化類專業的一門主干核心課程。目前，不論是國內自行設計的自動控制系統還是從國外引進的自動生產線，普遍將PLC作為控制系統的核心部件。因此為了滿足企業對高技能人才的需求，學校就必須提高PLC課程教學質量，以“培養學生實踐能力為導向”，組織更高水平的PLC綜合實訓，為企業培養實踐能力達標的機電一體化技術人才。PLC課程作為一門實踐性、綜合性很強的專業課程，目前的教學出現了一些的問題：①學校的PLC綜合實訓臺雖然功能比較強大，但是體積龐大、價格昂貴、數量有限。這就導致學生實訓操作時間嚴重不足，距離企業崗位技能要求有較大差距；②由于現有實驗設備的限制導致PLC課程的學習只能在學校實驗室進行。近年來，隨著各種技能大賽，創新創業比賽的開展，越來越多的學生不再滿足于課堂內的實踐，他們希望能在家里、圖書館等場所進行學習；③現在學校使用的PLC教學設備存在一定局限性，例如：可變性不強、模式比較固定、不適合實施以學生為主導的探索式學習。鑒于對以上問題的思考，便于更好地開展PLC課程的實訓教學，本文設計并開發了一臺便攜式PLC學習實驗箱。
1系統構成
便攜式PLC實驗箱系統結構框圖如圖1所示。本實驗裝置以PLC為控制器，觸摸屏作為人機界面。控制器和觸摸屏之間采用EtherNet／IP協議通信。實驗箱采用鋁合金手提箱形式，上下合蓋安裝有角度限位撐桿，結構緊湊美觀，易便攜。實驗箱包括：PLC單元及PLC電源模塊、觸摸屏、路由器、步進電機絲桿滑臺、步進驅動器、編碼器、位置傳感器、輸入單元、輸出單元及若干組接線端子排。輸入單元包括按鈕、轉換開關、光電傳感器，輸出單元包括指示燈和步進驅動器、步進電機。圖2為便攜式PLC學習實驗箱的實物圖。
2系統設計
2．1控制器
控制器選擇了羅克韋爾自動化Micro800系列的Mi-cro850，型號為2080－LC50－48QBB的可編程控制器。該控制器有48個數字量輸入輸出點，可容納2－5個功能性插件模塊，額外支持4個擴展I／O模塊。通信接口除了USB和串口外，還有嵌入式以太網接口，可通過標準RJ－45以太網電纜實現網絡編程和通信。具有3個100KHz脈沖序列輸出（PTO），6個100kHz高速計數器輸入（HSC），可實現與步進電動機，伺服控制器的低成本接線。本實驗箱的PLC控制器可根據實際需要更換為其他品牌的PLC控制器。
2．2人機界面
觸摸屏作為主要的人機界面，它可以用來設置參數、顯示數據、監控設備狀態以及曲線或動畫等形式描繪被控對象的控制過程。觸摸屏選用了AB公司生產PanelView800系列的型號為2711R－T7T的圖形終端設備。觸摸屏通過工業以太網Ether-Net／IP協議與控制器連接，實現數據交換。
2．3輸入輸出設備
輸入設備為多個常開自復位按鈕、自鎖按鈕及2個轉換開關，多種按鈕組合能夠滿足不同的控制要求。輸入設備還包括了絲桿滑臺上的3個光電傳感器及1個光電增量式的編碼器。學生們可以借助實驗箱學習這些生產現場常用的開關量輸入設備的工作原理和接線方法。輸出設備除了常用的指示燈，還有體積較小、有典型功能的步進電機和步進驅動器。選用步進電機作為被控對象是因為當前工業生產活動中步進電機的應用非常廣泛。步進電機具有極強的靈活性和實用性、系統成本也較低，因此在工業生產中具有很大的應用價值。
2．4被控對象
被控對象選用了步進電機驅動的絲桿滑臺機構。步進電機帶動絲桿滑臺運動，配合編碼器、光電傳感器實現步進電機閉環控制。學生可以通過該被控對象學習PLC運動控制指令及編程方法。隨著工業4．0和智能制造的推進，滿足各行業需求的集成運動控制的PLC的應用才是學生需要重點掌握和學習的內容。
2．5網絡設置
智能制造的網絡化要求PLC具備較強的網絡通信能力，未來PLC將采用實時工業以太網技術實現高速穩定的網絡通信。本實驗箱是基于EtherNet／IP以太網通信協議的控制網絡結構。通過路由器和網線連接PLC控制器、觸摸屏、PC機及被控對象驅動器，依靠PC機上的軟件平臺實現設備組態并完成通訊。
2．6裝置軟件
上位PC機中設置了羅克韋爾Micro800系列控制器的設計、編程和組態軟件CCW10．0。CCW軟件的使用還依賴于RSLinx軟件，其作用是提供CCW編程軟件和各個設備之間的通信驅動。羅克韋爾人機界面終端PanelViewComponent的組態和編程也是在CCW軟件中完成的。上位機中還可安裝工控組態軟件FactoryTalkViewStudio，從而構建一個統一監控和管理整個生產過程的監控系統。
3實驗箱在教學中的應用
在PLC課程的教學工作中，實訓教學內容是非常重要的。本實驗箱是為了提升學生的PLC實踐操作能力而開發的實驗裝置，制定教學項目時，應以實際工程項目設計過程為導向，從簡單到困難，從基礎到綜合，制定多層次的實驗項目。實驗項目可以分為三個層次。
3．1基礎型實驗
這類實驗項目以按鈕和光電傳感器為輸入設備，以指示燈為控制對象，完成經典的PLC控制項目，例如流水燈、交通燈、搶答器等。通過基礎性實驗掌握編程軟件基本指令的使用方法，熟悉PLC編程思路和方法，同時掌握PLC與觸摸屏的通信及簡單人機界面設計。
3．2應用設計型實驗
這類實驗將控制對象設定為步進電機驅動的絲桿滑臺。通過實驗讓學生掌握步進驅動器的接線方法、PLC運動指令、滑臺位置控制的方法及程序調試方法。讓學生完成基于觸摸屏的絲桿滑臺運動監控系統和基于組態軟件的絲桿滑臺運動監控系統兩個綜合設計項目。這些綜合類的實驗項目從基礎到綜合，有利于引導學生從被動的接受轉變為主動的探索。
3．3拓展創新型實驗
拓展創新型實驗的被控對象可以選用實驗室現有的碼垛機機械手（如圖3），也可以與帶有模擬量輸入的Micro820控制器（如圖4）組成分布式控制系統。學生可以借助這些外加的控制對象學習分布式控制系統的組態、主從控制器之間的數據交換、碼垛機機械手設計等綜合實驗項目。本實驗裝置可以提供給學生自行設計控制系統，完整地學習工控項目開發流程，用于完成畢業設計或者進行創新實踐活動。這類拓展創新型實驗能夠培養學生創新意識和工程實踐能力，充分激發學生潛能。
4結束語
該實驗箱不僅能夠完成PLC教學中的各種經典控制實驗，而且能夠完成運動控制、位置控制等智能控制實驗。該裝置有利于提高學生熟練掌握PLC技術的運用能力和實踐創新能力，符合國家培養創新型卓越工程技術人才的需要。同時本實驗裝置考慮了本校實際情況，在使用過程中能規避傳統實訓設備的不足，是“新工科”背景下學校建設實驗教學儀器設備的一次嘗試和積極探索。
參考文獻
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作者：吳茹石 單位：無錫機電高等職業技術學校